(57)【要約】  【課題】燃料電池システムの低電力量時においても高湿潤ガスの加湿器内での偏流を防止し、低湿潤ガスが十分な加湿量を得ることにより、スタックの発電性能、耐久性を高めた燃料電池システムを提供する。  【解決手段】燃料電池に供給される低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置は、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスから前記燃料電池に向かう低湿潤ガスに水分を移動させる中空糸膜式の加湿器７１であり、前記加湿器は中空糸膜とハウジング７２と、前記ハウジングの内側に設けた流路規制板８１により、低電力量時においても高湿潤ガスの偏流を防止し、十分な加湿量を得ることによりスタックの発電性能、耐久性を高めることを可能とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、筒状に形成され、内部を高湿潤ガスが流れるハウジングと、両端が開口した筒状であって内部を低湿潤ガスが流れる中空糸膜を複数束ねた中空糸膜束を具備し、前記ハウジング内に前記中空糸膜束を配置した構成とし、さらに前記ハウジングの異なる箇所に、前記高湿潤ガスの入口と出口をそれぞれ設け、また前記ハウジングの内部に、前記入口から流入した高湿潤ガスを、前記中空糸膜束を構成する中空糸膜間に案内する流れ規制部材を設けた燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿装置を、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスを前記ハウジング内に供給し、前記燃料電池に向かう低湿潤ガスを前記各中空糸膜内に供給し、前記高湿潤ガスから前記低湿潤ガスに水分を移動させる中空糸膜式の加湿器とした請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ハウジング内において、複数の前記流れ規制部材を、前記高湿潤ガスの流れが蛇行するように位置を変えて配置した請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流れ規制部材を、板状部材より形成し、その面に貫通孔あるいは切欠きを設けた請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記高湿潤ガスの入口と出口の少なくとも一つを、流入もしくは流出する前記高湿潤ガスが前記流れ規制部材と衝突しない方向となる位置に設けた請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、内部を高湿潤ガスが流れる空洞状のハウジングと、両端が開口した複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束を具備する構成とし、さらに前記ハウジングを、内部に前記中空糸膜束を配置して該中空糸膜束の両端が該ハウジングの外部と連通する密封構造とし、また前記ハウジングの内部に、前記中空糸膜の間に介在するように延出する流れ規制部材を設け、さらに前記ハウジングの異なる箇所に、前記高湿潤ガスの入口と出口を設け、前記各中空糸膜内に低湿潤ガスを流すようにした燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿器を備えた燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、低湿潤ガスが高湿潤ガスから好適に水分を回収し、加湿量を得ることができる加湿器を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料電池において水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させることにより、発電と発熱を行い、燃料電池により発生した熱は、冷却水を循環させることにより燃料電池外に搬送し、これによって燃料電池の温度を発電に適した所定の温度範囲内に保持し、さらに、冷却水の熱を給湯器等に利用することで、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることが知られている。
【０００３】
また、燃料電池システムでは、必要な電力量に応じて燃料ガス流量および酸化剤ガス流量、冷却水流量等を調整して運転状態を変化させ、発電量を変化させることができる。
【０００４】
さらに、固体高分子型燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、高湿潤状態を保つ必要があり、乾燥状態または湿潤不足の状態では、プロトン伝導性が悪化して発電性能が低下し、また耐久性が劣化するものであった。そのため、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を、加湿手段により低湿潤状態から高湿潤状態に加湿して、燃料電池に供給することを行っている。
【０００５】
前記加湿を行うために、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を利用した被加湿ガス（低湿潤ガス）の水透過型中空糸膜を用いた加湿器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図８、９、１０に示すように、この種の加湿器（加湿装置）１００は、外殻が筒状のケース１０１によって形成され、内部に筒状のハウジング１０２を有している。ケース１０１の両端は、低湿潤ガス流入口１０３を具備する第１のヘッドカバー１０４、および低湿潤ガス流出口１０５を具備する第２のヘッドカバー１０６によって閉塞されている。
【０００７】
ケース１０１の外殻には、高湿潤状態にある供給空気の入口１０７と出口１０８が異なる位置に設けられている。
【０００８】
また、ケース１０１の内部には、前述の如く両端が開口した円筒状のハウジング１０２が配置されている。ハウジング１０２の内部には多数（例えば２０００本程度）の中空糸膜１０９を束ねた中空糸膜束１１０が収納されている。また、ハウジング１０２の両端部には、中空糸膜１０９の両端部が開口する状態で中空糸膜束１１０の両端を固定する固定部材１１１、１１２が設けられている。
【０００９】
ハウジング１０２内においては、図８、図９に示すように、各中空糸膜１０９の外周に微小の通路空間が確保され、また各中空糸膜１０９の中空通路１１３は、圧縮して潰されることなく所定の通路面積が確保された状態となっている。
【００１０】
ハウジング１０２は、ケース１０１内において、両端部及び中間部にそれぞれ設けたシールリング（以下、Ｏリングと称す）１１４によって外周に空間を形成する如く支持されている。Ｏリング１１４による支持構造により、ケース１０１内は、低湿潤ガス流入口１０３と連通する空間１１５と、前記供給空気の出口と連通する排出空気経路１１６と、前記供給空気の入口１０７と連通する供給空気経路１１７と、低湿潤ガス流出口１０５と連通する空間１１８に仕切られている。これらは、Ｏリング１１４の作用により、隣り合う空間が連通しないようにシールされている。
【００１１】
したがって、中空糸膜束１１０を構成する各中空糸膜１０９の一端は、空間１１５に連通し、他端は、空間１１８に連通している。そして、ハウジング１０２には、供給空気経路１１７とハウジング１０２の内部を連通するガス流入口１１９と、排出空気経路１１６とハウジング１０２の内部を連通するガス流出口１２０が設けられている。
【００１２】
かかる構成とすることにより、燃料電池システムを構成する空気供給装置からの空気は、低湿潤ガス流入口１０３からケース１０１内へ流入する。そして、ケース１０１内の前段に位置する空間１１５から中空糸膜束１１０を構成する多数の中空糸膜１０９の中空通路１１３を通り、ケース１０１内の後段に位置する空間１１８から低湿潤ガス流出口１０５を経てシステムを構成する空気経路と流れる。この流れを低湿潤ガスの流れとして白色矢印で示す。
【００１３】
一方、燃料電池からの高湿度の空気は、供給空気の入口１０７からケース１０１内へ流入し、供給空気経路１１７を経てハウジング１０２に設けたガス流入口１１９からハウジング１０２内へ流入する。ハウジング１０２内へ流入した空気は、前述の如く密集する中空糸膜１０９の外表面で形成された隙間を通ってガス流出口１２０から後段の排出空気経路１１６へ流入し、ここから供給空気の出口１０８を経てシステムを構成する排出主幹空気経路へ流れる。この流れを高湿潤ガスの流れとして黒色矢印で示す。
【００１４】
前記低湿潤ガスと高湿潤ガスの温湿交換は、加湿器１００内における双方の流れによって行われる。すなわち、加湿器１００の中空糸膜束１１０内において、高温、高湿度の高湿潤ガスは、中空糸膜１０９の膜組織を介して低温、低湿度の低湿潤ガスと熱交換を行い、同時に前記膜組織を透過して水分が低湿潤ガス側へ移動する。
【００１５】
その結果、燃料電池へ供給される空気（低湿潤ガス）は、温度、湿度共に高められた状態となり、燃料電池の電解質膜の劣化を抑制する酸化剤ガスとなる。
【００１６】
図８、図９は、加湿器１００を構成するハウジング１０２内を流れる高湿潤ガスの流通状態を示しており、図８は高流量時（高発電時）の状態を示し、図９は、低流量時（低発電時）の状態を示している。
【００１７】
図８に示す如く、高流量時においては、中空糸膜束１１０の中心部に亘って多数の中空糸膜１０９の外表面を比較的均一に流れ、中空糸膜１０９の中空通路１１３を流れる低湿潤ガスと十分に湿度交換をしている。
【００１８】
一方、図９に示す如く低流量時においては、高湿潤ガスの流量が少ないため、高湿潤ガスは、主に中空糸膜束１１０の外表面（ハウジング１０２の内表面）を流れ、中空糸膜束１１０の中央部を流れるガスは極めて少ない状態にある。
【特許文献１】特開平７−７１７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、このような構成と作用を有する加湿器１００を使用して、低湿潤ガスが高湿潤ガスから好適に水分を回収して燃料電池スタックへ十分に加湿された加湿ガスを供給するためには、燃料電池の発電量が最大のとき、つまり燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の加湿ガスの流量が最大のときに合わせて加湿膜面積を決定する必要があり、その結果、中空糸膜の本数（たとえば２０００本）や加湿器に使用する中空糸膜加湿器の径（ハウジング１０２の径）が決まるため、加湿器１００の表面積または体積は、最大発電量で決まっていた。
【００２０】
しかし、燃料電池の発電量が最大の高発電量ときに合わせて加湿器を設計すると、以下のような問題があった。
【００２１】
つまり、中空糸膜加湿器において、燃料電池から排出される燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の高湿潤ガスは、発電量が小さい低流量時においては、多数の中空糸膜１０９の表面で形成される隙間を通り、各中空糸膜１０９の中空通路１１３を流通する低湿潤ガスと湿度交換することができるが、各中空糸膜１０９は薄膜のため、強度が弱く、形状が安定しない性質を有している。
【００２２】
そのため、各中空糸膜１０９相互の隙間は均一とはならず、前記高湿潤ガスは比較的各中空糸膜１０９の隙間が大きい外周部を通り、中空糸膜束１１０の中心部を通らないため、加湿器内の中空糸膜間の隙間で高湿潤ガスが偏流していた。
【００２３】
このとき高湿潤ガスは全ての中空糸膜１０９の表面と接触することができず、高湿潤ガスは、中空糸膜１０９と湿度交換する面積が極端に少なくなるため、低湿潤ガスが十分な加湿量を得ることができないという課題を有していた。
【００２４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池の低発電時においても中空糸膜加湿器と高湿潤ガスとの接触面積を保ち、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の低湿潤ガスの加湿量を十分に確保できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記従来の燃料電池が低発電時に十分な加湿量が確保できなくなることに関する課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置は、内部の全体にわたって万遍なく高湿潤ガスを流すために、前記高湿潤ガスの入口と出口を結ぶ流路に流路規制板を設けたものである。
【００２６】
かかることにより、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量が少ない燃料電池の低発電量のときでも、中空糸膜加湿器と高湿潤ガスとの接触面積を広い面積状態で確保できるものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、供給ガスの低湿潤ガスが十分な加湿量を得ることができ、いかなる発電量の状態においても、適正な加湿量の供給ガスを燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
請求項１に記載の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、筒状に形成され、内部を高湿潤ガスが流れるハウジングと、両端が開口した筒状であって内部を低湿潤ガスが流れる中空糸膜を複数束ねた中空糸膜束を具備し、前記ハウジング内に前記中空糸膜束を配置した構成とし、さらに前記ハウジングの異なる箇所に、前記高湿潤ガスの入口と出口をそれぞれ設け、また前記ハウジングの内部に、前記入口から流入した高湿潤ガスを、前記中空糸膜束を構成する中空糸膜間に案内する流れ規制部材を設けたものである。
【００２９】
かかる構成によれば、加湿装置内を流れる高湿潤ガスの流路が規制され、中空糸膜の表面と高湿潤ガスの接触面積が確保される。したがって、燃料電池の発電量に変化があった場合でも、そのときの発電量に対して適正な加湿量を保有した供給ガスを燃料電池スタックに供給することができ、燃料電池の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【００３０】
請求項２に記載の発明は、前記加湿装置を、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスを前記ハウジング内に供給し、前記燃料電池に向かう低湿潤ガスを前記各中空糸膜内に供給し、前記高湿潤ガスから前記低湿潤ガスに水分を移動させる中空糸膜式の加湿器としたものである。
【００３１】
かかる構成とすることにより、前記加湿装置を、前記燃料電池から排出される高湿潤ガスから前記燃料電池に向かう低湿潤ガスに水分を移動させる中空糸膜式の加湿器とし、安価な加湿器を提供することができる。
【００３２】
請求項３に記載の発明は、前記ハウジング内において、複数の前記流れ規制部材を、前記高湿潤ガスの流れが蛇行するように位置を変えて配置したものである。
【００３３】
かかる構成により、前記高湿潤ガスは、ハウジング内の広範囲に亘って流れるため、中空糸膜と高湿潤ガスの接触面積が広く確保でき、その結果、前記中空糸膜内を流れる低湿潤ガスと高湿潤ガスの熱と湿度の交換が効率よく行える。
【００３４】
請求項４に記載の発明は、前記流れ規制部材を、板状部材より形成し、その面に貫通孔あるいは切欠きを設けたものである。
【００３５】
かかる構成により、前記高湿潤ガスは、前記規制部材によって流れ方向が規制されることに加え、前記貫通孔あるいは切欠きでさらに複雑な経路での流れとなり、前記中空糸膜との接触面積をさらに確保できるものである。
【００３６】
請求項５に記載の発明は、前記高湿潤ガスの入口と出口の少なくとも一つを、流入もしくは流出する前記高湿潤ガスが前記流れ規制部材と衝突しない方向となる位置に設けたものである。
【００３７】
かかることにより、高湿潤ガスが、ハウジング内を広範囲に亘って流れることに加え、前記流れ規制部材との衝突による流路抵抗の増加が抑制でき、前記高湿潤ガスの流れを円滑とすることができる。
【００３８】
請求項６に記載の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの低湿潤ガスを加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、内部を高湿潤ガスが流れる空洞状のハウジングと、両端が開口した複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束を具備する構成とし、さらに前記ハウジングを、内部に前記中空糸膜束を配置して該中空糸膜束の両端が該ハウジングの外部と連通する密封構造とし、また前記ハウジングの内部に、前記中空糸膜の間に介在するように延出する流れ規制部材を設け、さらに前記ハウジングの異なる箇所に、前記高湿潤ガスの入口と出口を設け、前記各中空糸膜内に低湿潤ガスを流すようにしたものである。
【００３９】
かかる構成とすることにより、前記ハウジングと中空糸膜束のユニット化が可能となり、組立て易い加湿装置を得ることができる。
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００４１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図、図２は、同実施の形態１における中空糸膜加湿器を示す構成図、図３は、同実施の形態１における中空糸膜を示す構成図、図４は、図２におけるＡ−Ａ線による中空糸膜加湿器の断面図である。
【００４２】
図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、空気供給装置２０と、空気加湿装置２１と、燃料電池１９と、燃料供給装置２３と、燃料処理装置２４と、燃料ガス加湿装置２５と、熱交換器２６と、冷却水タンク２７と、冷却水ポンプ２８と、貯湯タンク２９を主な要素として構成されている。空気加湿装置２１は、燃料電池１９の入口側に配置されている。
【００４３】
空気供給装置２０から供給される空気は、空気フィルタ３２で大気中の窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が取り除かれ、空気経路３０を通って空気加湿装置２１に供給される。空気加湿装置２１に供給された空気（低湿潤ガス）は、空気経路３０ａを通り加湿される。そして、空気加湿装置２１を通過した空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３１を通って燃料電池１９のカソード電極に供給される。
【００４４】
燃料電池１９に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路３６を介して、空気加湿装置２１に供給され、供給された該排出空気（高湿潤ガス）に含まれる水分と熱を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池１９に供給される空気（空気経路３０ａを流れる低湿潤ガス）の加湿および加熱が行われる。そして空気加湿装置２１を経た排出空気は、排出空気経路３７を通じて排出される。
【００４５】
一方、燃料処理装置２４には、燃料供給装置２３から燃料経路３３を介して、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等の、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等またはアルコール等の原料が供給される。本実施の形態１の燃料電池システムでは、都市ガスを原料ガスとして用いた場合について説明する。
【００４６】
また、燃料処理装置２４として、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部が設けられており、燃料処理装置２４では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチな燃料ガスが生成される。該水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス経路３４を介して燃料ガス加湿装置２５に供給され、加湿される。
【００４７】
ここで、燃料ガス加湿装置２５としては、空気加湿装置２１と同様の構成を具備し、同様の加熱および加湿方式を行うものである。
【００４８】
加湿装置２５で加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１９の燃料ガスとして、燃料ガス経路３５を通じて燃料電池１９のアノード電極側に供給される。燃料電池１９では、カソード電極側に供給された空気と、アノード電極側に供給された燃料ガスとが反応することにより発電が行われ、電気と熱が発生する。
【００４９】
また、燃料電池１９に供給された燃料ガスのうち、反応に利用されなかった燃料ガスは、排燃料ガス経路３８ａを介して燃料ガス加湿装置２５に供給され、燃料電池１９に供給される前の燃料ガスの加熱および加湿に利用された後、排燃料ガス経路３８ｂを介して燃料処理装置２４の燃焼部に供給され、ここで原料を燃料ガスに改質する燃料処理装置２４の加熱に利用される。
【００５０】
また、燃料電池１９で発生した熱を除去するために、冷却水タンク２７の冷却水が、冷却水ポンプ２８により冷却水経路３９を介して燃料電池１９に供給される。
【００５１】
すなわち、燃料電池１９内で加熱された冷却水は、冷却水経路４１を介して熱交換器２６に供給されるが、熱交換器２６には、貯湯タンク２９に貯めた水が貯湯水ポンプ４２によって貯湯水循環経路４３を介して供給されているため、熱交換により冷却水は冷却され、逆に貯湯タンク２９内の水は加熱され、温水が蓄えられる。
【００５２】
冷却水タンク２７から出た冷却水は、燃料電池１９で発電とともに発生する熱により加熱され、熱交換器２６で貯湯水と熱交換して再び冷却されるが、燃料電池１９での発熱量は、発電量と相関があるため、発電量に応じた冷却水流量を冷却水ポンプ２８で供給し、さらに貯湯水ポンプ４２で貯湯水流量を調整することにより、燃料電池１９の温度および冷却水タンク２７内の水温を所定の温度に維持する。
【００５３】
次に、本実施の形態１の特徴である加湿装置２１について説明する。この加湿装置２１は、基本構造は図１０に示す構成となっており、特にハウジング等で構成される加湿器の構成が相違するもので、以下、この加湿器の構成を中心に説明する。
【００５４】
図２、図３、図４に示すように、空気加湿装置２１の加湿器は、図１０に示すケース１０１内に配置される中空糸膜加湿器７１であり、ハウジング７２、及びこのハウジング７２に収容される中空糸膜束７３を含んで構成される。
【００５５】
ハウジング７２は、両端が開放された円筒形状をしている。このハウジング７２には、その両端部近傍に相対する位置関係で開口部７４、７５が設けられている。ここで、符号７４で示す開口部は、高湿潤ガス流入部であり、符号７５で示す開口部は、高湿潤ガス流出部である。また、符号７６で示すハウジング７２の一端部は、低湿潤ガス流入口端であり、符号７７で示すハウジング７２の他端部は、低湿潤ガス流出口端である。これらは、図１０に示す空間１１５、１１８に連通している。つまり、低湿潤ガス流入口端７６は空間１１５に、低湿潤ガス流出口７７は空間１１８に連通している。
【００５６】
一方、ハウジング７２に収納される中空糸膜束７３は、図３に示す中空通路８０ａを有する中空糸膜８０を数千本束ねたものであり、ハウジング７２の両端面（円周方向の開口部よりも端側）に、中空糸膜８０の中空通路８０ａを確保しつつお互いが散らばらないように接着剤で固定してある。この中空糸膜束７３において、ハウジング７２に接着してある部分をポッティング部７８、７９というが、このポッティング部７８、７９により中空糸膜束７３の内側である中空通路８０ａを流通する低湿潤状態のガスと中空糸膜８０の外側を流通する高湿潤ガスとが混合しないようになっている。
【００５７】
そして、ハウジング７２の内側には、ハウジング７２の軸方向に伸びる流路規制板８１が図４に示す如く、高湿潤ガスの流入部７４、流出部７５と対向するように略平行に配置され、各一端がハウジング７２の内壁の相対する位置に適宜手段にて固定されている。したがって、流路規制板８１の他端が前記内壁と所定間隔あけて流路を形成しているため、前記空気供給ガスの高湿潤ガスは、蛇行状の流れを主流にしながら中空糸束７３を構成する各中空糸膜８０の外表面間を略満遍なく流れる。
【００５８】
ちなみに、このような中空糸膜加湿器７１は、ハウジング７２に所定数の中空糸膜８０の束を挿通し、両面近傍を接着剤で十分接着固定した後、ハウジング７２の両端に沿って中空糸膜８０の束を切断除去することによって作成される。
【００５９】
また、中空糸膜加湿器７１としては、内径が０．５〜１．５ｍｍ程度、外形が０．７〜１．７ｍｍ程度の中空糸膜８０を、ハウジング７２内に、面積比２０〜６０％程度で充填したものである。
【００６０】
かかる構成によれば、流路規制板８１によって高湿潤ガスの流路が規制され、中空糸膜加湿器７１の膜の表面と高湿潤ガスの接触面積が確保されるため、いかなる発電量に対しても常に適正な加湿量を保有した供給ガスを燃料電池スタックに供給することができる。その結果、燃料電池の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【００６１】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下、その動作を、本実施の形態１の特徴である空気加湿装置の動作を中心に説明する。
【００６２】
燃料電池１９に供給される空気供給ガスの低湿潤ガスは、中空糸膜束７３を構成する各中空糸膜８０の中空通路８０ａを流通する（図１の空気経路３０ａに相当）。
【００６３】
一方、燃料電池１９からの空気排出ガスの高湿潤ガスは、高湿潤ガス流入部７４からハウジング７２内に入り、各中空糸膜８０の隙間を通りながら、一部はハウジング７２の内壁面に沿って左右に、一部は流路規制板８１と衝突する方向にそれぞれ流れる。特に、燃料電池１９の低発電時は、高湿潤ガスの流量低下により、前記高湿潤ガスは、各中空糸膜８０相互の隙間が比較的大きい外周部を通り、流通抵抗の大きい中空糸膜束７３の中心部を通らないため、加湿膜加湿器７１内で偏流する傾向となるが、ハウジング７２の内側に設けた流路規制板８１により、高湿潤ガスは、図４の矢印で示す如く、中空糸膜束７３の中央部を流通する。したがって、中空糸膜８０との接触面積を十分に確保して各中空糸膜８０の中空通路８０ａを流通する低湿潤ガスと湿度を交換し加湿する。
【００６４】
また、燃料電池１９の高発電時は、前記高湿潤ガスの流量も多く、比較的中空糸膜束７３の中心部まで前記高湿潤ガスが流れるが、同様に流路規制板８１によってその流れが規制され、同様に蛇行状で高湿潤ガス流出部７５から流出する。
【００６５】
このように、高湿潤ガスの流路が規制され、中空糸膜加湿器７１の膜の表面と高湿潤ガスの接触面積が確保されるため、いかなる発電量に対しても常に適正な加湿量を保有した供給ガスを燃料電池スタックに供給することができる。その結果、燃料電池の発電性能を確保し、また耐久性の劣化を防止することが可能となる。
【００６６】
また、本実施の形態１における加湿装置２１は、酸素を含む酸化剤ガスの加湿装置としたが、水素を含む燃料ガスの加湿装置としても構わない。
【００６７】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における中空糸膜加湿器の断面図で、図４相当図である。
【００６８】
なお、実施の形態１と同一の構成要件については、同一の符号を付して説明し、作用についても、先の実施の形態１と異なる点について説明する。
【００６９】
図５において、本実施の形態２の加湿器７１は、実施の形態１に示す流路規制板８１に複数の開口部８３を設けたものである。開口部８３は、打ち抜き加工あるいは切欠きによって形成されるものである。
【００７０】
したがって、かかる構成においても、流路規制板８１によって高湿潤ガスは蛇行流路を主流にしながら、適宜開口部８３を通過し、流路規制板８１近辺の中空糸膜８０間を流れる。その結果、よりきめ細かに中空糸膜８０の隙間を流れ、中空通路８０ａを流れる低湿潤ガスと湿度交換することができる。
【００７１】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における中空糸膜加湿器の断面図で、図４相当図である。先の実施の形態１、２と相違する点は、中空糸膜加湿器７１の高湿潤ガス流入部７４と流出部７５の位置を、上下方向から左右方向に変更した点で相違する。したがって、以下の説明においては、高湿潤ガスの流れを中心に説明する。
【００７２】
図６において、高湿潤ガス流入部７４から流入した高湿潤ガスは、矢印で示す如く、流路規制板８１によってハウジング７２内周への広がりが抑制され、一部は内周面に沿って流れるものの、大半は各中空糸膜８０の隙間を流れる。そして、流路規制板８１により、蛇行状の流れを主流として高湿潤ガス流出部７５より流出する。
【００７３】
この間、前記高湿潤ガスは、矢印で示す如く、適宜開口部８３を通り、流路規制板８１の両側に位置する中空糸膜８０の隙間を流れる。
【００７４】
かかる構成は、高湿潤ガス流入部７４から直に流路規制板８１に沿って高湿潤ガスが流れるため、より高湿潤ガスの流路を効率よく湿度交換するように規制することができる。
【００７５】
なお、流路規制板８１のかかる配置は、入口側もしくは出口側の一方とし、残る箇所は、先の実施の形態１、２と同様に高湿潤ガスが衝突する配置としても良い。
【００７６】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４における中空糸膜加湿器の断面図で、図４相当図である。先の実施の形態１、２、３と相違する点は、流路規制板８２を断面湾曲状とした点で大きく相違する。
【００７７】
かかる構成においても、ハウジング７２の内周面に流路規制板８２を設けているため、内周に沿って流れる高湿潤ガスを適宜中央へ導く流路が確保できる。しかも流路規制板８２は、湾曲状態であるため、前記中央への導きも軟らかい流れとなり、適切に内周面に沿った流れと中央へ導かれる流れが両立されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池を用いて発電と熱供給を行う燃料電池システムの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図２】同実施の形態１における中空糸膜加湿器を示す構成図
【図３】同実施の形態１における中空糸膜を示す構成図
【図４】図２におけるＡ−Ａ線による中空糸膜加湿器の断面図
【図５】本発明の実施の形態２における中空糸膜加湿器の図４相当図
【図６】本発明の実施の形態３における中空糸膜加湿器の図４相当図
【図７】本発明の実施の形態４における中空糸膜加湿器の図４相当図
【図８】従来例を示す中空糸膜モジュールの高湿潤ガス大流量時の縦断面図
【図９】従来例を示す中空糸膜モジュールの高湿潤ガス小流量時の縦断面図
【図１０】従来例を示す中空糸膜加湿装置の横断面図
【符号の説明】
【００８０】
１９  燃料電池
２１  空気加湿装置
７１  中空糸膜加湿器
７２  ハウジング
７３  中空糸膜束
７４  高湿潤ガス流入部
７５  高湿潤ガス流出部
８０  中空糸膜
８０ａ  中空通路
８１  流路規制板
８２  流路規制板
８３  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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